Fibra òptica

Fibra òptica

La fibra òptica és una fibra flexible, transparent, feta al embotir o extrudir vidre (#sílice) en un diàmetro llaugerament més gros que el d'un cabell humà promig. Són utilisades comunament com un mig per a transmetre llum entre dos puntes d'una fibra i tenen un ampli us en les comunicacions per fibra òptica, a on permeten la transmissió en distàncies i en un ample de banda (velocitat de senyes) més grans que els cables elèctrics. S'utilisen fibres en lloc d'arams de metal perque les senyals viagen a través d'elles en menys pèrdua; ademés, les fibres són immunes a la interferència electromagnètica, un problema del com els cables de metal sofrixen àmpliament. Les fibres també s'usen per a la allumenament i imagineria, i normalment s'envolen en paquets per a introduir o traure llum d'espais reduïts, com en el cas d'un fibroscopio. Algunes fibres dissenyades de manera especial s'usen també per a una àmplia varietat d'aplicacions diverses, algunes d'elles són els sensors de fibra òptica i els làsers de fibra.

Típicament, les fibres òptiques tenen un núcleu rodejat d'un material de revestiment transparent en un índex de refracció més baix. La llum es manté en el núcleu pel fenomen de reflexió interna total que causa que la fibra actue com una guia d'ones. Les fibres que permeten molts camins de propagació o modos travessers es diuen fibres multimodo (MM), mentres que aquelles que permeten solament un modo es diuen fibres monomodo (SM). Les fibres multimodo tenen generalment un diàmetro de núcleu més gran i s'usen per a enllaços de comunicació de distància curta i per a aplicacions a on es requerix transmetre alta potència. Les fibres monomodo s'utilisen per a enllaços de comunicació més grans que 1000 metros.

Ser capaços d'unir fibres òptiques en pèrdua baixa és important en la comunicació per fibra òptica. Açò és més complex que unir cable elèctric i involucra un adheriment cuidadós de les fibres, l'alliniació precisa dels núcleus de les fibres i l'acoplament d'estos núcleus alineats. Per a les aplicacions que necessiten una conexió permanent es fan empalmes de fusió. En esta tècnica, s'usa un arc elèctric per a fondre els extrems i aixina unir-los. Una atra tècnica comuna és el empalme mecànic, a on l'extrem de les fibres es manté en contacte per mig d'una força mecànica. Les conexions temporals o semi-permanents es fan per mig d'un conector de fibra òptica especialisat.

El camp de la ciència aplicada i l'ingenieria encarregat del disseny i l'aplicació de les fibres òptiques es diu òptica de fibres. El terme va ser falcat pel físic hindú Narinder Singh Kapany, qui és àmpliament reconegut com el pare de l'òptica de fibres.

Tipos de fibra òptica

Les fibres monomodo estan compostes d'un fil de núcleu de molt menut diàmetro (8,3 um) que soporta un sol modo de transmissió lluminosa. La fibra multimodo precisa una electrònica i conectors més barats, si ben el cost de la fibra sol ser superior a la monomodo. Les fibres multimodo s'utilisen en rets a distàncies menors a 500 metros.

Història

Els antics grecs usaven espills per a transmetre informació, de modo rudimentari, usant llum solar. En 1792, FABIO va dissenyar un sistema de telegrafia òptica, que, per mig de l'us d'un còdic, torres i espills distribuïts a lo llarc dels 200 km que separen a Lille de París, conseguia transmetre un mensage en tan sol 16 minuts.

Encara que en 1820 eren conegudes les equacions per les que es rig la captura de la llum dins d'una placa de cristal plana, no seria sino 90 anys més tarde (1910) quan estes equacions es varen aplicar cap als cridats cables de vidre gràcies als treballs dels físics Demetrius Hondros i Peter Debye en 1910.

El confinament de la llum per refracció, el principi que possibilita la fibra òptica, va ser demostrat per Jean-Daniel Colladon i Jacques Babinet en París en els començos de la década de 1840. El físic anglés John Tyndall va descobrir que la llum podia viajar dins del aigua, curvant-se per reflexió interna, i en 1870 va presentar els seus estudis davant els membres de la Real Societat de Londres. A partir d'este principi es varen portar a terme una série d'estudis, en els que es va demostrar el potencial del cristal com a mig eficaç de transmissió a llarga distància. Ademés, es varen desenrollar una série d'aplicacions basades en dit principi per a allumenar corrents d'aigua en fonts públiques. Més vesprada, l'ingenier britànic John Logie Baird va registrar palesos que descrivien l'utilisació de bastons sòlits de vidre en la transmissió de llum, per a la seua ocupació en el seu sistema electromecànic de televisió en color. No obstant, les tècniques i els materials usats no permetien la transmissió de la llum en bon rendiment. Les pèrdues de senyal òptica eren grans i no hi havia dispositius d'acoplament òptic.

Solament en 1950 les fibres òptiques varen començar a interessar als investigadors, en moltes aplicacions pràctiques que estaven sent desenrollades. En 1952, el físic Narinder Singh Kapany, recolzant-se en els estudis de John Tyndall, va realisar experiments que varen conduir a l'invenció de la fibra òptica.

Un dels primers usos de la fibra òptica va ser amprar un fes de fibres per a la transmissió d'imàgens, que es va usar en el endoscopio. Usant la fibra òptica, es va conseguir un endoscopio semiflexible, el qual va ser patentat per la Universitat de Míchigan en 1956. En este invent es varen usar unes noves fibres forrades en un material de baix índex de refracció, ya que abans s'impregnaven en olis o ceres. En esta mateixa época, es varen escomençar a utilisar filaments prims com el cabell que transportaven llum a distàncies curtes, tant en l'indústria com en la medicina, de manera que la llum podia aplegar a llocs que d'una atra forma serien inaccessibles. L'únic problema era que esta llum perdia fins al 99 % de la seua intensitat en travessar distàncies de fins a 9 metros de fibra.

Charres K. Kao, en la seua tesis doctoral de 1956, va estimar que les màximes pèrdues que deuria tindre la fibra òptica, per a que resultara pràctica en enllaços de comunicacions, eren de 20 decibelis per quilómetro.

En 1966, en un comunicat dirigit a la Associació Britànica per a l'Alvanç de la Ciència, els investigadors Charres K. Kao i George Hockham, dels laboratoris de Standard Telephones and Cables, en Anglaterra, varen afirmar que es podia dispondre de fibres d'una transparència major i varen propondre l'us de fibres de vidre i de llum, en lloc d'electricitat i conductors metàlics, en la transmissió de mensages telefònics. L'obtenció de tals fibres va exigir grans esforços dels investigadors, ya que les fibres fins a llavors presentaven pèrdues de l'orde de 100 dB/km, ademés d'una banda pasante estreta i una enorme fragilitat mecànica. Este estudi va constituir la base per a reduir les pèrdues de les senyals òptiques que fins al moment eren molt significatives i no permetien l'aprofitament d'esta tecnologia. En un artícul teòric, varen demostrar que les grans pèrdues característiques de les fibres existents es devien a impurees diminutes intrínseques del cristal. Com a resultat d'este estudi varen ser fabricades noves fibres en atenuació de 20 dB/km i una banda pasante de 1 GHz per a un llarc de 1 km, en la perspectiva de substituir els cables coaxials. L'utilisació de fibres de 100 µm de diàmetro, envoltes en fibres de nailon resistent, permetrien la construcció de fils tan forts que no podien trencar-se en les mans.

En 1970, els investigadors Robert Maurer, Donald Keck, Peter Schultz, ademés de Frank Zimar que treballaven para Corning Glass, varen fabricar la primera fibra òptica aplicant impurees de titani en #sílice, en centenars de metros de llarc en la claritat cristalina que Kao i Hockman havien propost, encara que les pèrdues eren de 17 dB/km. Durant esta década, les tècniques de fabricació es varen millorar, conseguint pèrdues de tan sol 0,5 dB/km.

Poc despuix, els físics Morton B. Panish i Izuo Hayashi, dels Laboratoris Bell, varen mostrar un làser de semiconductors que podia funcionar contínuament a temperatura ambiente. Ademés, John MacChesney i els seus colaboradors, també dels laboratoris Bell, varen desenrollar independentment métodos de preparació de fibres. Totes estes activitats varen marcar un punt decisiu ya que ara, existien els mijos per a dur les comunicacions de fibra òptica fora dels laboratoris, al camp de l'ingenieria habitual. Durant la següent década, a mida que continuaven les investigacions, les fibres òptiques varen millorar constantment la seua transparència.

El 22 d'abril de 1977, General Telephone and Electronics va enviar la primera transmissió telefònica a través de fibra òptica, en 6 Mbit/s, en Long Beach, Califòrnia.

Un dispositiu que va permetre l'us de la fibra òptica en conexions interurbanes, reduint el seu cost, va anar el amplificador òptic inventat per David N. Payne, de la Universitat de Southampton, i per Emmanuel Desurvire en els Laboratoris Bell. A abdós se'ls va concedir la Medalla Benjamin Franklin en 1988.

En 1980, les millors fibres eren tan transparents que una senyal podia travessar 240 quilómetros de fibra abans de debilitar-se fins a ser indetectable. Pero les fibres òptiques en este grau de transparència no es podien fabricar usant métodos tradicionals. Un atre alvanç es va produir quan els investigadors es varen donar conte de que el cristal de #sílice pur, sense cap impurea de metal que absorbira llum, solament es podia fabricar directament a partir de components de vapor, evitant d'esta forma la contaminació que inevitablement resultava de l'us convencional dels cresols de fundició. La tecnologia en desenroll es basava principalment en el coneiximent de la termodinàmica química, una ciència perfeccionada per tres generacions de químics des de la seua adopció original per part de Willard Gibbs, en el XIX.

També en 1980, AT&T va presentar a la Comissió Federal de Comunicacions dels Estats Units un proyecte d'un sistema de 978 quilómetros que conectaria les principals ciutats del trayecte de Boston a Washington D. C. Quatre anys despuix, quan el sistema va començar a funcionar, el seu cable, de menys de 25 centímetros de diàmetro, proporcionava 80 000 canals de veu per a conversacions telefòniques simultànees. Per a llavors, la llongitut total dels cables de fibra únicament en els Estats Units alcançava 400 000 quilómetros.

A partir de 2024, l'implementació d'infraestructures de fibra òptica en el suroest d'Estats Units s'ha vist impulsada pel programa federal Broadband Equity, Access, and Deployment (BEAD), que va assignar 42,450 millons de dólars per a tancar la brecha digital. Este marc regulatorio exigix, baixe la normativa Build America, Buy America (BAVA), que la totalitat del vidre i els cables òptics utilisats en proyectes subvencionats siguen manufacturados en territori nortamericà «Broadband Equity Access and Deployment (BEAD) Program». NTIA BroadbandUSA. Consultat el 4 de maig de 2026..

El primer enllaç transoceànic en fibra òptica va ser el TAT-8 que va començar a operar en 1988, usant un cristal tan transparent que els amplificadors per a regenerar les senyals dèbils es podien colocar a distàncies de més de 64 quilómetros. Tres anys despuix, un atre cable transatlàntic va duplicar la capacitat del primer. Des de llavors, s'ha amprat fibra òptica en multitut d'enllaços transoceànics o entre ciutats, i paulatinament es va estenent el seu us des de les rets troncals de les operadores cap als usuaris finals.

Hui en dia, per les seues mínimes pèrdues de senyal i a les seues òptimes propietats d'ample de banda, ademés de pes i tamany reduïts la fibra òptica pot ser usada a distàncies més llargues que el cable de coure.

Procés de fabricació

Artícul principal → Fabricació de la fibra òptica.

Per a la creació de la preforma existixen quatre processos que són principalment utilisats.

L'etapa de fabricació de la preforma pot ser a través d'algun dels següents métodos:

• M.C.V.D (Modified Chemical Vapor Deposition)

Va ser desenrollat originalment per Corning Glass i modificat pels Laboratoris Bell per al seu us industrial. Utilisa un tubo de cuarzo pur d'a on es partix i és depositada en el seu interior la mescla de diòxit de silici i aditius de dopat en forma de capes concèntriques. A continuació en el procés industrial s'instala el tubo en un torne giratori. El tubo és calfat fins a alcançar una temperatura compresa entre 1400 °C i 1600 °C per mig d'un cremador d'hidrogen i oxigen. En girar el torne, el cremador comença a desplaçar-se a lo llarc del tubo. Per un extrem del tubo s'introduïxen els aditius de dopat, part fonamental del procés, ya que de la proporció d'estos aditius dependrà el perfil final de l'índex de refracció del núcleu. La deposición de les successives capes s'obtenen de les successives passades del cremador, mentres el torne gira; quedant d'esta forma sintetisat el núcleu de la fibra òptica. L'operació que resta és el colapse, es conseguix igualment en el continu desplaçament del cremador, solament que ara a una temperatura compresa entre 1700 °C i 1800 °C. Precisament és esta temperatura la que garantisa el ablandamiento del cuarzo, convertint-se aixina el tubo en el cilindre massiç que constituïx la preforma. Les dimensions de la preforma solen ser d'un metro de llongitut útil i d'un centímetro de diàmetro exterior.

• V.A.D (Vapor Axial Deposition)

El seu funcionament es basa en la tècnica desenrollada per la Nippon Telephone and Telegraph (N.T.T), molt utilisat en Japó per companyies dedicades a la fabricació de fibres òptiques. La matèria primera que utilisa és la mateixa que el método M.C.V.D, la seua diferència en est radica, que en este últim solament es depositava el núcleu, mentres que en este ademés del núcleu de la FO es deposita el revestiment. Per esta raó deu cuidar-se que en la zona de deposición axial o núcleu, es deposite més diòxit de germani que en la perifèria, #lo que es conseguixen a través de l'introducció dels paràmetros de disseny en el software que servix de respal en el procés de fabricació. A partir d'un cilindre de vidre auxiliar que servix de soport per a la preforma, s'inicia el procés de creació d'esta, depositant-se ordenadamente els materials, a partir de l'extrem del cilindre quedant aixina conformada la cridada "preforma porosa". Conforme la seua taxa de creiximent es va desprenent del cilindre auxiliar de vidre. El següent pas consistix en el colapsat, a on se somet la preforma porosa a una temperatura compresa entre els 1.500 °C i 1.700 °C, conseguint-se aixina el reblandecimiento del cuarzo. Quedant convertida la preforma porosa hueca en el seu interior en el cilindre massiç i transparent, per mig del qual se sol descriure la preforma.

Comparat en el método anterior (M.C.V.D) té la ventaja de que permet obtindre preformas en major diàmetro i major llongitut, al mateix temps que precisa un menor aporte energètic. L'inconvenient més destacat és la sofisticació de l'equipament necessari per a la seua realisació.

• O.V.D (Outside Vapor Deposition)

Desenrollat per Corning Glass Work. Part d'una vareta de substrat ceràmica i un cremador. En la flama del cremador són introduïts els #clorur vaporosos i esta caldea la vareta. A continuació es realisa el procés denominat #síntesis de la preforma, que consistix en el secat de la mateixa per mig de clor gaseós i el corresponent colapsat de forma anàloga als realisats en el método V.A.D, quedant aixina sintetisats el núcleu i revestiment de la preforma.

Entre les Ventages, és de citar que les taxes de deposición que s'alcancen són de l'orde de $4.3g/min$, #lo que representa una taxa de fabricació de FO de $5km/h$, havent segut eliminades les pèrdues inicials en el pas d'estirat de la preforma. També és possible la fabricació de fibres de molt baixa atenuació i de gran calitat per mig de l'optimisació en el procés de secat, perque els perfils aixina obtinguts són plans i sense estructura anular reconeixible.

• P.C.V.D (Plasma Chemical Vapor Deposition)

És desenrollat per l'empresa neerlandesa Philips i es caracterisa per l'obtenció de perfils plans sense estructura anular reconeixible. El seu principi es basa en l'oxidació dels #clorur de silici i germani, creant en estos un estat de plasma, seguit del procés de deposición interior.

Etapa de estiramiento de la preforma

Qualsevol tècnica que s'utilise que permeta la construcció de la preforma és comuna en tots els processos de estiramiento d'esta. La tècnica consistix bàsicament en l'existència d'un forn tubular obert en l'interior del qual se somet la preforma a una temperatura de 2000 °C per a conseguir el reblandecimiento del cuarzo i que quede fix el diàmetro exterior de la FO. Este diàmetro s'ha de mantindre constant mentres s'aplica una tensió sobre la preforma. Per a conseguir açò, els factors que ho permeten són precisament la constància i uniformitat de la tensió de tracció i l'absència de corrents de convecció en l'interior del forn. En este procés es deu cuidar que l'atmòsfera interior del forn estiga aïllada de partícules provinents de l'exterior per a evitar que la superfície reblandecida de la FO puga ser contaminada, o que es puguen crear microfisuras en la conseqüent inevitable trencament de la fibra. Ací és a on també s'aplica a la fibra un material sintètic que generalment és un polímero viscós, el qual possibilita les elevades velocitats d'estirat compreses entre $1m/sg$ i $3m/sg$, formant-se aixina una capa uniforme sobre la fibra totalment lliure de bombetes i impurees. Posteriorment es passa a l'enduriment de la protecció abans descrita, quedant aixina la capa definitiva de polímero elàstic. Açò es realisa habitualment per mig de processos tèrmics o a través de processos de reaccions químiques per mig de l'ocupació de radiacions ultravioletas.

Aplicacions

El seu us és molt variat: des de comunicacions digitals i joyes, passant per sensors i aplegant a usos decoratius, com a arbres de Nadal, veladores i atres elements similars. Aplicacions de la fibra monomodo: Cables submarins, cables interurbans, etc.

Comunicacions en fibra òptica

Artícul principal → Comunicació per fibra òptica.

La fibra òptica s'ampra com a mig de transmissió en rets de telecomunicacions ya que per la seua flexibilitat els conductors òptics poden agrupar-se formant cables. Les fibres usades en este camp són de plàstic o de vidre i algunes voltes dels dos tipos. Per la baixa atenuació que tenen, les fibres de vidre són utilisades en mijos interurbans.

Sensors de fibra òptica

Generalment, es fa una distinció bàsica entre sensors intrínsecs i sensors extrínsecos. En el sensor intrínsec, la fibra en sí mateixa és l'element sensorio. En el cas del sensor extrínseco, la fibra s'utilisa per a transferir les senyals d'un sensor remot a un sistema electrònic que processa les senyals.

Les fibres òptiques es poden utilisar com a sensors per a medir: deformació, temperatura, pressió, humitat, camps elèctrics o magnètics, gasos, vibracions i atres paràmetros. El seu tamany menut i el fet de que per elles no circula corrent elèctrica els donen certes ventages respecte als sensors elèctrics.

Les fibres òptiques s'utilisen com hidrófono per als sismes o aplicacions de sonar. S'han desenrollat sistemes hidrofónicos en més de 1000 sensors usant la fibra òptica. Els hidrófonos són usats per l'indústria de petròleu aixina com les marines de guerra d'alguns països. La companyia alemana Sennheiser va desenrollar un micròfon que treballa en làser i fibres òptiques.

S'han desenrollat sensors de fibra òptica per a la temperatura i pressió de pous petrolífers. Estos sensors poden treballar a majors temperatures que els sensors de semiconductors.

Un atre us de la fibra òptica com a sensor és el giróscopo de fibra òptica que usen numeroses aeronaus i l'us en microsensores de l'hidrogen.

Els sistemes sensors fotònics per fibra òptica tenen o poden tindre quatre parts fonamentals:

• El sensor o transductor.
• El interrogador, que emet i rep la senyal òptica.
• El cable òptic.
• Acopladors, multiplexors, amplificadors o commutadors òptics (opcional).

El interrogador genera una senyal òptica, que es guia pel cable òptic del sensor. Quan una magnitut, com la pressió, temperatura, fluix, etc. s'aplica al sensor, els paràmetros fonamentals de la llum, tals com l'intensitat o llongitut d'ona, es canvien. La llum retorna modificada a través del cable fins al interrogador, a on es medix cuidadosadament per a determinar la cantitat de canvi en l'ona de llum. S'utilisen algoritmes per a convertir la senyal òptica en una senyal electrònica calibrada que pot estar conectada a un sistema de control de processos, a un sistema d'adquisició de senyes, o per a una visualisació en temps real. Si és necessària una etapa de multiplexado són indispensables nous components, com poden ser un o varis acopladors, o multiplexors en llongitut d'ona, amplificadors òptics o un commutador de fibra òptica.

Els sistemes sensors per fibra òptica poden ser puntuals o distribuïts. Si el interrogador és capaç de detectar variacions d'algun paràmetro òptic (típicament temperatura o deformació) a lo llarc de tot el cable òptic, el sistema es diu distribuït. Estos sistemes presenten la gran ventaja d'utilisar com transductor el propi cable òptic. Els sistemes puntuals monitorizan sensors disposts en posicions concretes dins d'una ret de sensors. Estos últims sistemes permeten monitorizar molts més paràmetros que els sistemes distribuïts (gasos, índex de refracció, etc.) L'alcanç dels sistemes distribuïts pot estendre's fins als 120 km des de l'unitat d'interrogat. Per a sistemes puntuals, la distància de monitorisació remota pot aplegar fins a 250 km.

Allumenament

Un atre us que se li dona a la fibra òptica és l'allumenament de qualsevol espai. En els últims anys les fibres òptiques han escomençat a ser molt utilisades per les ventages que este tipo d'allumenament representa:

• Absència d'electricitat i calor: Açò es deu a que la fibra solament té la capacitat de transmetre els fas de llum, ademés de que la llàntia que allumena la fibra no està en contacte directe en la mateixa.
• Es pot canviar el color de l'allumenament sense necessitat de canviar la llàntia: Açò es deu a que la fibra pot transportar el fes de llum de qualsevol color sense importar el color de la fibra.
• Per mig de fibres, en una sola llàntia es pot fer un allumenament més ampli: Açò es deu a que en una llàntia es pot allumenar vàries fibres i colocar-les en diferents llocs.

Més usos de la fibra òptica

• Es pot usar com una guia d'ona en aplicacions mèdiques o industrials en les que és necessari guiar un fes de llum fins a un blanc que no es troba en la llínea de visió.
• La fibra òptica es pot amprar com a sensor per a medir tensions, temperatura, pressió aixina com atres paràmetros.
• És possible usar latiguillos de fibra junt en lents per a fabricar instruments de visualisació llarcs i prims cridats endoscopios. Els endoscopios s'usen en medicina per a visualisar objectes a través d'un forat menut. Els endoscopios industrials s'usen per a propòsits similars, com per eixemple, per a inspeccionar l'interior de turbines.
• Les fibres òptiques s'han amprat també per a usos decoratius incloent allumenament, arbres de Nadal.
• Llínees d'abonat
• Les fibres òptiques són molt usades en el camp de l'allumenament. Per a edificis a on la llum pot ser arreplegada en el terrat i ser duta per mig de fibra òptica a qualsevol part de l'edifici.
• S'ampra com a component en la confecció del formigó translúcido, invenció creada per l'arquitecte hongarés Ron Losonczi, que consistix en una mescla de formigó i fibra òptica formant un nou material que oferix la resistència del formigó pero adicionalment, presenta la particularitat de deixar traspassar la llum de parell en parell.

Característiques

La fibra òptica és una guia d'ones dielèctrica que opera a freqüències òptiques.

Cada filament consta d'un núcleu central de plàstic o cristal (òxit de silici i zinc ) en un alt índex de refracció, rodejat d'una capa d'un material similar en un índex de refracció llaugerament menor (plàstic). Quan la llum aplega a una superfície que llimita en un índex de refracció menor, es reflectix en gran part, quant major siga la diferència d'índexs i major l'àngul d'incidència, es parla llavors de reflexió interna total.

En l'interior d'una fibra òptica, la llum es va reflectint contra les parets en ànguls molt oberts, de tal forma que pràcticament alvança pel seu centre. D'esta manera, es poden guiar les senyals lluminoses sense pèrdues per llargues distàncies.

Funcionament

Els principis bàsics del seu funcionament es justifiquen aplicant les lleis de l'òptica geomètrica, principalment, la llei de la refracció (principi de reflexió interna total) i la llei de Snell.

El seu funcionament es basa en transmetre pel núcleu de la fibra un fes de llum, tal que este no travesse el revestiment, sino que es reflectixca i se seguixca propagant. Açò es conseguix si l'índex de refracció del núcleu és major a l'índex de refracció del revestiment, i també si l'àngul d'incidència és superior a l'àngul llímit.

Ventages

• Una banda de pas molt ampla, #lo que permet #fluix molt elevats (de l'orde de decenes de Gigabits/segons).
• Menut tamany, per lo tant ocupa poc espai.
• Gran llaugerea, el pes és de l'orde d'alguns grams per quilómetro, #lo que resulta unes nou voltes menys que el d'un cable convencional.
• Immunitat total als #destorbament d'orige electromagnètic, #lo que implica una calitat de transmissió molt bona, ya que la senyal és immune a les tormentes, chisporroteo, entre uns atres.
• Gran seguritat: l'intrusió en una fibra òptica és fàcilment detectable pel carpiment de l'energia lumínica en recepció, ademés, no irradia res, #lo que és particularment interessant per a aplicacions que requerixen alt nivell de confidencialitat.
• No produïx interferències.
• Insensibilidad a les senyals paràsites, #lo que és una propietat principalment utilisada en els mijos industrials fortament pertorbats (per eixemple, en els túnels del metro). Esta propietat també permet la coexistència pels mateixos conductes de cables òptics no metàlics en els cables d'energia elèctrica.
• Atenuació molt menuda independent de la freqüència, #lo que permet salvar distàncies importants sense elements actius intermijos. Pot proporcionar comunicacions fins als 70 km ans que siga necessari regenerar la senyal, ademés, pot estendre's a 150 km utilisant amplificadors làser.
• Gran resistència mecànica, #lo que facilita l'instalació.
• Resistència a la calor, fret i corrosió.
• Facilitat per a localisar els corts gràcies a un procés basat en la reflectometria, #lo que permet detectar ràpidament el lloc a on es farà la reparació de l'averia, simplificant la llabor de manteniment.
• Factors ambientals.

Desventages

A pesar de les ventages abans enumerades, la fibra òptica presenta una série de desventages front a uns atres mijos de transmissió, sent les més rellevants les següents:

• L'alta fragilitat de les fibres.
• Necessitat d'usar transmissors i receptors més costosos.
• Els empalmes entre fibres són difícils de realisar, especialment en el camp, #lo que dificulta les reparacions en cas de ruptura del cable.
• No pot transmetre electricitat per a alimentar repetidorés intermijos.
• La necessitat d'efectuar, en molts casos, processos de conversió elèctrica-òptica.
• La fibra òptica convencional no pot transmetre potències elevades.
• No existixen memòries òptiques.
• La fibra òptica no transmet energia elèctrica, açò llimita la seua aplicació a on el terminal de recepció deu ser energizado des d'una llínea elèctrica. L'energia deu proveir-se per conductors separats.

• Les molècules d'hidrogen poden difondre's en les fibres de silici i produir canvis en l'atenuació. L'aigua corroe la superfície del vidre i resulta ser el mecanisme més important per a l'envelliment de la fibra òptica.
• Incipient normativa internacional sobre alguns aspectes referents als paràmetros dels components, calitat de la transmissió i proves.

Tipos

Les diferents trayectòries que pot seguir un fes de llum en l'interior d'una fibra es denominen modos de propagació. I segons el modo de propagació tindrem dos tipos de fibra òptica: multimodo i monomodo.

Fibra multimodo

Una fibra multimodo és aquella en la que els fas de llum poden circular per més d'un modo o camí. Açò supon que no apleguen tots al mateix temps. Una fibra multimodo pot tindre més de mil modos de propagació de llum. Les fibres multimodo s'usen comunament en aplicacions de curta distància, menors a 2 km, és simple de dissenyar i econòmic.

El núcleu d'una fibra multimodo té un índex de refracció superior, pero del mateix orde de magnitut, que el revestiment. Pel gran tamany del núcleu d'una fibra multimodo, és més fàcil de conectar i té una major tolerància a components de menor precisió.

Depenent del tipo d'índex de refracció del núcleu, tenim dos tipos de fibra multimodo:

• Índex escalonat: en este tipo de fibra, el núcleu té un índex de refracció constant en tota la secció cilíndrica, té alta dispersió modal.
• Índex gradual: mentres en este tipo, l'índex de refracció no és constant, té menor dispersió modal i el núcleu es constituïx de distints materials.

Ademés, segons el sistema ISO 11801 per a la classificació de fibres multimodo segons el seu ample de banda, s'inclou el +pichar (multimodo sobre làser) als ya existents OM1 i OM2 (multimodo sobre LED).

• OM1: Fibra 62.5/125 µm, soporta fins a Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), usa led com a emissors.
• OM2: Fibra 50/125 µm, soporta fins a Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), usa led com a emissors.
• OM3: Fibra 50/125 µm, soporta fins a 10 Gigabit Ethernet (300 m), usa làser (VCSEL) com a emissors.
• OM4: Fibra 50/125 µm, soporta fins a 40 Gigabit Ethernet (150 m), fins a 100 Gigabit Ethernet (100 m) usa làser (VCSEL) com a emissors.
• OM5: Fibra 50/125 µm, soporta fins a 40 Gigabit Ethernet (440 m), fins a 100 Gigabit Ethernet (150 m) usa làser (VCSEL) com a emissors.

Baix OM3 s'han conseguit fins a 2000 MHz km (10 Gbit/s), és dir, una velocitat 10 voltes major que en OM1.

Fibra monomodo

Una fibra monomodo és una fibra òptica en la que solament es propaga un modo de llum. Es conseguix reduint el diàmetro del núcleu de la fibra fins a un tamany (8,3 a 10 micrones) que solament permet un modo de propagació. La seua transmissió és paralela a l'eix de la fibra. A diferència de les fibres multimodo, les fibres monomodo permeten alcançar grans distàncies (fins a 400 km màxim, per mig d'un làser d'alta intensitat) i transmetre elevades taxes d'informació (10 Gbit/s).CR

Tipos segons el seu disseny

D'acort al seu disseny, existixen dos tipos de cable de fibra òptica

Cable d'estructura folgada

És un cable amprat tant per a exteriors com para interiors que consta de varis tubos de fibra rodejant un membre central de reforç i proveït d'una coberta protectora. Cada tubo de fibra, de dos a tres milímetros de diàmetro du vàries fibres òptiques que descansen holgadamente en ell. Els tubos poden ser buits o estar plens d'un gel hidrófugo que actua com a protector antihumedad impedint que l'aigua entre en la fibra. El tubo folgat aïlla la fibra de les forces mecàniques exteriors que s'eixercixquen sobre el cable.

El seu núcleu es complementa en un element que li brinda resistència a la tracció que be pot ser de vareta flexible metàlica o dielèctrica com a element central o de hilaturas de Aramida o fibra de vidre situades periféricamente.

Cable d'estructura ajustada

És un cable dissenyat per a instalacions en l'interior dels edificis, és més flexible i en un radi de curvatura més menut que el que tenen els cables d'estructura folgada.

Conté vàries fibres en protecció secundària que rodegen un membre central de tracció, tot això cobert d'una protecció exterior. Cada fibra té una protecció plàstica extrusionada directament sobre ella, fins a alcançar un diàmetro de 900 µm rodejant al recobriment de 250 µm de la fibra òptica. Esta protecció plàstica ademés de servir com a protecció adicional front a l'entorn, també proveïx un soport físic que serviria per a reduir el seu cost d'instalació en permetre reduir les fonts de empalmes.

Components de la fibra òptica

Dins dels components que s'usen en la fibra òptica cal destacar els següents: els conectors, el tipo d'emissor del fes de llum, els conversores de llum, etc.

Transmissor d'energia òptica. Du un modulador per a transformar la senyal electrònica entrante a la freqüència acceptada per la font lluminosa, la qual convertix la senyal electrònica (electrons) en una senyal òptica (fotons) que s'emet a través de la fibra òptica.

Detector d'energia òptica. Normalment és un fotodiodo que convertix la senyal òptica rebuda en electrons (és necessari també un amplificador per a generar la senyal).

El seu component és el silici i es conecta a la font lluminosa i al detector d'energia òptica. Dites conexions requerixen una tecnologia complexa.

Tipos de poliment

Els extrems de la fibra necessiten un acabament específic en funció de la seua forma de conexió. Els acabaments més habituals són:

• Pla: Les fibres es terminen de forma plana perpendicular al seu eix.
• PC (Physical Contact): Les fibres són terminades de forma convexa, posant en contacte els núcleus d'abdós fibres.
• SPC (Super PC): Similar al PC pero en un acabament més fi. Té menys pèrdues de tornada.
• UPC (Ultra PC): Similar a l'anterior pero encara millor.
• Enhanced UPC: Millora de l'anterior per a reduir les pèrdues de tornada.
• APC (Angled PC): Similar a l'UPC pero en el pla de cort llaugerament inclinat. Proporciona unes pèrdues similars al Enhanced UPC.

Tipos de conectors

Estos elements s'encarreguen de conectar les llínees de fibra a un element, ya pot ser un transmissor o un receptor. Els tipos de conectors disponibles són molt variats, entre els que podem trobar es troben els següents:

• FC, que s'usa en la transmissió de senyes i en les telecomunicacions.
• FDDI, s'usa per a rets de fibra òptica.
• LC i MT-Array que s'utilisen en transmissions d'alta densitat de senyes.
• SC i SC-Dúplex s'utilisen per a la transmissió de senyes.

H2R---400Km/h

• ST o BFOC s'usa en rets d'edificis i en sistemes de seguritat.

Emissors del fes de llum

Estos dispositius s'encarreguen de convertir la senyal elèctrica en senyal lluminosa, emetent el fes de llum que permet la transmissió de senyes, estos emissors poden ser de dos tipos:

• LEDs. Utilisen una corrent de 50 a 100 mA, la seua velocitat de modulació és llenta, solament se solen usar en fibres multimodo, pero el seu us és fàcil i el seu temps de vida és molt gran, ademés de ser econòmics.
• Làsers. Este tipo d'emissor usa una corrent de 5 a 40 mA, són molt ràpits, es pot usar en els dos tipos de fibra, monomodo i multimodo, pero pel contrari el seu circuiteria és més complexa, el seu temps de vida és llarc pero menor que el dels leds i també són habitualment més costosos, encara que en l'actualitat hi ha productes de preu reduït i altes prestacions. En l'actualitat existixen també làsers fabricats en fibra òptica amplificadora.

Conversores llum-corrent elèctrica

Este tipo de dispositius convertixen les senyals lluminoses que procedixen de la fibra òptica en senyals elèctriques. Es llimiten a obtindre una corrent a partir de la llum modulada incident, esta corrent és proporcional a la potència rebuda, i per tant, a la forma d'ona de la senyal moduladora.

Es fonamenta en el fenomen opost a la recombinació, és dir, en la generació de parells electró-buit a partir dels fotons. El tipo més senzill de detector correspon a una unió semiconductora P-N.

Les condicions que deu complir un fotodetector per a la seua utilisació en el camp de les comunicacions, són les següents:

• La corrent inversa (en absència de llum) deu ser molt menuda, per a aixina poder detectar senyals òptiques molt dèbils (alta sensibilitat).
• Rapidea de resposta (gran ample de banda).
• El nivell de soroll generat pel propi dispositiu ha de ser mínim.

Hi ha dos tipos de detectors: els fotodiodos PIN i els de remugada APD.

• Detectors PIN: el seu nom ve de que es componen d'una unió P-N i entre eixa unió es intercala una nova zona de material intrínsec (I), la qual millora l'eficàcia del detector.

S'utilisa principalment en sistemes que permeten una fàcil discriminació entre possibles nivells de llum i en distàncies curtes.

• Detectors APD: els fotodiodos de remugada són fotodetectores que mostren, aplicant un alt voltage en inversa, un efecte intern de guany de corrent (aproximadament 100), per l'ionisació d'impacte (efecte remugada). El mecanisme d'estos detectors consistix en llançar un electró a gran velocitat (en l'energia suficient), contra un àtom per a que siga capaç d'arrancar-li un atre electró.

Estos detectors es poden classificar en tres tipos:

• de silici: presenten un baix nivell de soroll i un rendiment de fins al 90 % treballant en primera finestra. Requerixen alta tensió d'alimentació (200-300V).
• de germani: aptes per a treballar en llongituts d'ona compreses entre 1000 i 1300 nm i en un rendiment del 70 %.
• de composts dels grups III i V de la taula periòdica.

Cables de fibra òptica

Un cable de fibra òptica està compost per un grup de fibres òptiques pel qual es transmeten senyals lluminoses. Les fibres òptiques compartixen el seu espai en hiladura de aramida que li conferixen la necessària resistència a la tracció.

Els cables de fibra òptica proporcionen una alternativa sobre els coaxials en l'indústria de l'electrònica i les telecomunicacions. Aixina, un cable en 8 fibres òptiques té un tamany molt més menut que els utilisats habitualment, pot soportar les mateixes comunicacions que 60 cables de 1623 parells de coure o 4 cables coaxials de 8 tubos, tot això en una distància entre repetidorés molt major.

Per un atre costat, el pes del cable de fibra òptica és moltíssim menor que el dels coaxials, ya que una bobina del cable de huit fibres abans citat pot pesar de l'orde de 30 kg/km, #lo que permet efectuar tendits de 2 a 4 km d'una sola volta, mentres que en el cas dels cables de coure no són pràctiques distàncies superiors a 250-300 m.

Funcions del cable

Les funcions del cable de fibra òptica són vàries. Actua com a element de protecció de la(s) fibra(s) òptica(s) que hi ha en el seu interior front a danys i fractures que puguen produir-se tant en el moment de la seua instalació com a lo llarc de la vida útil d'esta. Ademés, proporciona suficient consistència mecànica per a que puga manejar-se en les mateixes condicions de tracció, compressió, torsió i migambientals que els cables de conductors. Per a això incorporen elements de reforç i aïllament front a l'exterior.

Instalació i explotació

Referent a l'instalació i explotació del cable, nos trobem front a la qüestió essencial de quina tensió és la màxima que deu admetre's durant el tendit per a que el cable no es trenque i es garantise una vida mija d'uns 20 anys.

Tècniques de empalme: Els tipos de empalmes poden ser:

• Empalme mecànic en el qual es poden provocar pèrdues de l'orde de 0,5 dB. El empalme mecànic KeyQuick® conseguix una atenuació igual a la de la fusió per arc voltáico, 0,02 dB.
• Empalme en pegaments en el qual es poden provocar pèrdues de l'orde de 0,2 dB.
• Empalme per fusió d'arc elèctric en el qual es conseguixen pèrdues de l'orde de 0,02 dB.

Elements i disseny del cable de fibra òptica

L'estructura d'un cable de fibra òptica dependrà en gran mida de la funció que dega eixercitar eixa fibra. A pesar d'açò, tots els cables tenen uns elements comuns que deuen ser considerats i que comprenen: el revestiment secundari de la fibra o fibres que conté; els elements estructurals i de reforç; la funda exterior del cable, i les proteccions contra l'aigua. Existixen tres tipos de “revestiment secundari”:

• “Revestiment cenyit”: Consistix en un material (generalment plàstic dur com el nailon o el polièster) que forma una corona anular massiça situada en contacte directe en el revestiment primari. Açò genera un diàmetro extern final que oscila entre 0’5 i 1 mm. Açò proporciona a la fibra una protecció contra microcurvaturas, en la salvetat del moment del seu montage, que cal vigilar que no les produïxca ella mateixa.

• “Revestiment folgat buit”: Proporciona una cavitat #sobredimensionat. S'ampra un tubo buit extruido (construït passant un metal candente pel plàstic) de material dur, pero flexible, en un diàmetro variable d'1 a 2 mm. El tubo aïlla a la fibra de vibracions i variacions mecàniques i de temperatura externes.

• “Revestiment folgat en farcidura”: El revestiment folgat anterior es pot reblir d'un compost resistent a la humitat, en l'objectiu d'impedir el pas de l'aigua a la fibra. Ademés ha de ser suau, dermatológicamente inocuo, fàcil d'extraure, autorregenerativo i estable per a un ranc de temperatures que oscila entre els –55 i els 85 °C És freqüent l'ocupació de derivats del petròleu i composts de silicona per a este comés.

Elements estructurals

Els elements estructurals no són cable i tenen com a missió proporcionar el núcleu al voltant del com se sustenten les fibres, ya siguen trenades al voltant d'ell o dispersant-se de forma paralela a ell en recalats practicats sobre l'element a tal efecte.

Elements de reforç

Tenen per missió soportar la tracció a la que este es veu somés per a que cap de les seues fibres sofrixca una elongació superior a la permesa. També deu evitar possibles #torsió. Han de ser materials flexibles i, ya que s'ampraran quilómetros d'ells han de tindre un cost assequible. Se solen utilisar materials com l'acer, Kevlar i la fibra de vidre.

Funda

Per últim, tot cable posseïx una funda, generalment de plàstic l'objectiu del qual és protegir el núcleu que conté el mig de transmissió front a fenomens externs a este com són la temperatura, la humitat, el fòc, els colps externs, etc. Depenent de para quins siga destinada la fibra, la composició de la funda variarà. Per eixemple, si va a ser instalada en canalisacions de planta exterior, pel pes i a la tracció bastarà en un revestiment d'polietileno extruidos. Si el cable va a ser aéreu, a on solament importa la tracció en el moment de l'instalació nos preocuparà més que la funda oferixca resistència a les gelades i al vent. Si va a ser enterrat, voldrem una funda que, encara que siga més pesada, soporte colps i aplastamientos externs. En el cas de les fibres submarines la funda serà una complexa superposició de vàries capes en diverses funcions aïllants.

Pèrdua en els cables de fibra òptica

A la pèrdua de potència a través del mig es coneix com a Atenuació, és expressada en decibelis, en un valor positiu en dB, és causada per distints motius, com la disminució en l'ample de banda del sistema, velocitat, eficiència. La fibra de tipo multimodal, té major pèrdua degut a que l'ona lluminosa es dispersa originada per les impurees. Les principals causes de pèrdua en el mig són:

• Pèrdues per absorció
• Pèrdua de Rayleigh
• Dispersió cromàtica
• Pèrdues per radiació
• Dispersió modal
• Pèrdues per acoplament

Pèrdues per absorció. Ocorre quan les impurees en la fibra absorbixen la llum, i esta es convertix en energia calorífica; les pèrdues normals van d'1 a 1000 dB/km.

Pèrdua de Rayleigh. En el moment de la manufactura de la fibra, existix un moment a on no és líquida ni sòlida i la tensió aplicada durant el refredat pot provocar microscòpiques irregularitats que es queden permanentment; quan els rajos de llum passen per la fibra, estos es difractan fent que la llum vaja en diferents direccions.

Dispersió cromàtica. Esta dispersió solament s'observa en les fibres tipo unimodal, ocorre quan els rajos de llum emesos per la font i es propaguen sobre el mig, no apleguen a l'extrem opost en el mateix temps; açò es pot solucionar canviant l'emissor font.

Pèrdues per radiació. Estes pèrdues es presenten quan la fibra sofrix de dobleces, açò pot ocórrer en l'instalació i variació en la trayectòria, quan es presenta discontinuidad en el mig.

Dispersió modal. És la diferència en els temps de propagació dels rajos de llum.

Pèrdues per acoplament. Les pèrdues per acoplament es donen quan existixen unions de fibra, es deuen a problemes de alineamiento.

Conectors

Els conectors més comuns usats en la fibra òptica per a rets d'àrea local són els conectors ST, LC, FC I SC.

El conector SC (Set and Connect) és un conector d'inserció directa que sol utilisar-se en commutadors Ethernet de tipo Gigabit. El conector ST (Set and Twist) és un conector similar al SC, pero requerix un gir del conector per a la seua inserció, de modo similar als conectors coaxials.

Tipos de dispersió

La dispersió és la propietat física inherent de les fibres òptiques, que definix l'ample de banda i l'interferència ínter simbòlica (ISI).

• Dispersió intermodal: també coneguda com a dispersió modal, és causada per la diferència en els temps de propagació dels rajos de llum que prenen diferents trayectòries per una fibra. Este tipo de dispersió solament afecta a les fibres multimodo.

• Dispersió cromàtica del material: açò és el resultat de les diferents llongituts d'ona de la llum que es propaguen a distintes velocitats a través d'un mig dau.

• Dispersió cromàtica de la guia d'ona: És funció de l'ample de banda de la senyal d'informació i la configuració de la guia generalment és més menuda que la dispersió anterior i per la qual cosa es pot despreciar.

Vore també

• Amplificador òptic
• Terminal de ret òptic
• DWDM
• H2R---400Km/h
• Medició de temperatura per fibra òptica
• Ret òptica síncrona
• Ret Òptica Sincrona SONET
• Canal de fibra
• Fibra òptica plàstica
• Fibra òptica multimodo
• Single-mode optical fiber (Inglés)
• Comunicació per fibra òptica
• Ret òptica passiva

Notes

• «¿Quin és el llímit de la fibra òptica? ¿300 Mbps, 1 Gbps, 1 Tbps…?». adslzone.net. Consultat el 19 de maig de 2017.
• «How Fiber Optics Was Invented». thoughtco.com.

Enllaços externs

• Les ventages, desventages de la fibra òptica i tipos de fibra òptica
• Fibra òptica vs 5G, comparació de velocitats i costs d'instalació